• No results found

Swanson_unc_0153D_14851.pdf

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2020

Share "Swanson_unc_0153D_14851.pdf"

Copied!
206
0
0

Loading.... (view fulltext now)

Full text

(1)

 

MECHANISMS  OF  ANTIBIOTIC  RESISTANCE  IN  NEISSERIA  GONORRHOEAE  AND  THE   DEVELOPMENT  OF  LPXC  INHIBITORS  AS  NOVEL  THERAPEUTICS  

 

Shauna  Marie  Swanson  

 

A  dissertation  submitted  to  the  faculty  of  the  University  of  North  Carolina  at  Chapel  Hill  in   partial  fulfillment  of  the  requirements  for  the  degree  of  Doctor  of  Philosophy  in  the  

Department  of  Microbiology  and  Immunology  

 

Chapel  Hill   2014  

 

  Approved  by:  

  Robert  A.  Nicholas  

  Miriam  Braunstein  

  Marcia  M.  Hobbs  

  Anthony  R.  Richardson  

  Matthew  C.  Wolfgang  

(2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

       

©  2014  

Shauna  Marie  Swanson   ALL  RIGHTS  RESERVED  

(3)

 

ABSTRACT  

Shauna  Marie  Swanson:  Mechanisms  of  antibiotic  resistance  in  N.  gonorrhoeae  and  the   development  of  LpxC  inhibitors  as  novel  therapeutics    

(Under  the  direction  of  Robert  A.  Nicholas)  

  Neisseria  gonorrhoeae  is  a  Gram-­‐negative  diplococcus  that  causes  the  sexually  

transmitted  infection  gonorrhea.  Antibiotics  are  required  to  treat  gonorrhea.  

Unfortunately,  the  gonococcus  has  developed  resistance  to  all  classes  of  antibiotics  that   have  been  used  to  treat  gonorrhea.  Antibiotics  primarily  diffuse  through  the  outer  

membrane  porin  channels  into  the  periplasm,  but  we  have  shown  that  they  can  also  access   the  periplasm  via  the  outer  membrane  secretin  PilQ;  mutation  or  deletion  of  PilQ  increases   resistance  to  penicillin  by  approximately  threefold.  In  its  mature  form,  PilQ  exists  as  an   SDS-­‐resistant  multimer.  However,  immature  PilQ  monomers  are  also  present  in  the  outer   membrane.  We  initiated  studies  to  determine  if  antibiotic  permeation  occurred  through  the   mature  secretin  or  via  immature  PilQ  complexes.  Our  data  indicate  that  immature,  SDS-­‐ labile  PilQ  complexes  form  channels  that  allow  antibiotics  to  traverse  the  outer  membrane.     To  help  meet  the  growing  need  for  new  antibiotics  for  the  treatment  of  gonorrhea,   we  have  validated  the  enzyme  LpxC  as  a  drug  target  in  N.  gonorrhoeae.  LpxC  catalyzes  the   first  committed  step  in  the  biosynthesis  of  lipid  A,  a  major  component  of  the  outer  

(4)

tested  in  vivo  using  the  murine  model  of  gonorrhea,  and  one  of  these  inhibitors  was  able  to   clear  the  infection  in  eight  out  of  nine  infected  mice.  

  We  also  evaluated  the  capacity  of  N.  gonorrhoeae  to  develop  resistance  to  LpxC   inhibitors.  Spontaneously  arising  mutants  displayed  a  4-­‐  to  16-­‐fold  decrease  in  

susceptibility  to  LpxC  inhibitors,  and  in  several  of  these  mutants,  mutation  or  deletion  of   the  pqiA  and  pqiB  genes  was  responsible  for  the  resistance  phenotype.  The  functions  of   PqiA  and  PqiB  are  unknown,  but  the  loss  of  pqiAB  does  not  alter  the  MICs  of  other  

antibiotics  and  does  not  affect  LpxC  expression  or  growth  rate.  The  results  of  the  studies   described  within  this  dissertation  further  our  understanding  of  antibiotic  resistance   mechanisms  in  N.  gonorrhoeae  and  provide  the  basis  for  the  development  of  LpxC   inhibitors  as  potential  new  therapeutics  for  the  treatment  of  gonorrhea.  

(5)

 

To  my  family,  especially  my  parents,  for  supporting  me  throughout  college  and  graduate  

school.  You  did  not  always  understand  what  I  was  working  on,  but  you  always  believed  in  me.  

(6)

 

ACKNOWLEDGEMENTS  

  I  would  like  to  thank  all  the  people  at  UNC  who  have  helped  me  become  a  better   scientist  and  have  supported  me  throughout  graduate  school.  Rob  welcomed  me  into  his   lab  and  provided  guidance  and  patience.  However,  this  work  would  not  have  been  possible   without  the  help  of  generous  coworkers.  Sobhan  Nandi  told  me  “one  thing”  (actually,  many,   many  things)  about  gonorrhea  and  helped  me  find  my  feet  in  the  lab.  Josh  Tomberg  taught   me  about  proteins  (and  that  you  can  microwave  stir  bars  without  causing  an  explosion)   and  helped  me  troubleshoot  whenever  cloning  was  “broken”.  Meg  Duncan,  Kate  White,   Tasha  Blatt,  and  Swati  Rayasam  provided  extra  sets  of  hands  on  crazy  days,  lots  of  giggles   about  inside  jokes,  and  sympathetic  ears  when  projects  were  not  going  as  planned.       I’d  also  like  to  thank  my  friends  and  family  for  always  being  interested  in  hearing   about  whatever  I  was  doing  in  graduate  school.  When  you’re  surrounded  by  people  who   have  their  PhD  or  are  working  on  it,  it  is  easy  to  forget  what  an  accomplishment  it  truly  is.   Thank  you  for  always  encouraging  and  believing  in  me.  Without  you  reminding  me  that   there  is  life  outside  of  graduate  school,  I  might  not  have  made  it  all  the  way  through!      

(7)

 

TABLE  OF  CONTENTS  

 

LIST  OF  FIGURES  ...  xii  

LIST  OF  TABLES  ...  xiv  

LIST  OF  ABBREVIATIONS  ...  xv  

Chapter  1.  Introduction  ...  1  

  1.1  Introduction  ...  1  

1.2  Public  heath  relevance  ...  2  

1.2.1  Epidemiology  ...  2  

1.2.2  Clinical  manifestations  ...  4  

1.2.3  Gonorrhea  and  HIV  co-­‐infections  ...  5  

1.3  Structural  components  of  the  gonococcal  cell  wall  ...  6  

1.3.1  Lipooligosaccharide  ...  7  

1.3.2  Type  IV  pili  ...  11  

1.3.3  Opacity-­‐associated  proteins  ...  16  

1.3.4  Peptidoglycan  ...  17  

1.3.5  Porin  ...  18  

1.4  Infection  ...  20  

1.4.1  Adhesion  and  invasion  ...  20  

1.4.2  Bacterial  defenses  against  the  host  immune  response  ...  22  

1.4.3  Murine  model  of  gonococcal  infection  ...  24  

1.5  Genetic  transformation  ...  26  

1.5.1  Natural  competence  ...  26  

(8)

1.5.3  DNA  binding  and  uptake  ...  28  

1.5.4  DNA  integration  ...  29  

1.6  Antibiotic  resistance  ...  30  

1.6.1  History  of  antibiotic  resistance  ...  30  

1.6.2  Plasmid-­‐mediated  antibiotic  resistance  ...  34  

1.6.3  Chromosomally  mediated  antibiotic  resistance  ...  35  

1.7  LpxC  inhibitors  as  a  novel  class  of  antibiotics  ...  38  

1.7.1  Lipid  A  biosynthesis  ...  38  

1.7.2  History  of  LpxC  inhibitors  ...  43  

1.8  Introduction  to  the  dissertation  ...  48  

1.8.1  Contribution  of  PilQ  to  antibiotic  resistance  ...  48  

1.8.2  Validation  of  gonococcal  LpxC  as  a  target  for  antibiotics  ...  48  

1.8.3  Characterization  of  a  mutant  with  reduced  susceptibility  to  LpxC  inhibitors  ...  49  

Chapter  2.  Diffusion  of  antibiotics  through  the  PilQ  secretin  in  Neisseria          gonorrhoeae  occurs  through  the  immature,  SDS-­‐labile  form  ...  50  

  2.1  Overview  ...  50  

2.2  Introduction  ...  52  

2.3  Materials  and  Methods  ...  56  

2.3.1  Bacterial  strains.  ...  56  

2.3.2  Bacterial  media,  growth  conditions,  and  MIC  determinations.  ...  57  

2.3.3  Transformations  and  transformation  efficiency  assays.  ...  58  

2.3.4  Isolation  of  spontaneously  arising  penicillin-­‐resistant  clones.  ...  59  

2.3.5  Scanning  electron  microscopy.  ...  60  

2.3.6  Construction  of  pilM,  pilN,  pilO  and  pilP  frame-­‐shift  and  in-­‐frame  deletion  mutants.  ...  60  

(9)

2.3.8  Overexpression  of  PilQ.  ...  62  

2.3.9  Gel  filtration.  ...  63  

2.3.10  SDS-­‐PAGE  and  Western  blotting.  ...  64  

2.4  Results  ...  67  

2.4.1  Phenotypic  identification  of  spontaneously  arising  penicillin-­‐resistant  clones  ...  67  

2.4.2  Characterization  of  class  1  mutants  ...  70  

2.4.3  Analysis  of  class  2  mutants  ...  74  

2.4.4  Phenotypes  of  the  in-­‐frame  pilM,  pilN,  pilO  and  pilP  deletions  ...  77  

2.4.5  Effects  of  titration  of  PilQ  levels  on  penicillin  resistance  ...  81  

2.4.6  Analysis  of  PilQ  levels  in  wild-­‐type  versus  frame-­‐shift  mutants  ...  83  

2.4.7  Manipulation  of  PilW  expression  to  regulate  levels  of  the  PilQ  multimer  ...  87  

2.5  Discussion  ...  91  

Chapter  3.  Diacetylene  LpxC  inhibitors  as  novel  antibiotics  with  activity            against  multi-­‐drug-­‐resistant  Neisseria  gonorrhoeae  ...  98  

  3.1  Overview  ...  98  

3.2  Introduction  ...  100  

3.3  Materials  and  Methods  ...  103  

3.3.1  Bacterial  strains  ...  103  

3.3.2  Bacterial  growth  conditions  ...  103  

3.3.3  Antibiotic  susceptibility  testing  ...  104  

3.3.4  Bactericidal  assay  ...  105  

3.3.5  Transformation  of  N.  gonorrhoeae  ...  105  

3.3.6  Knockout  and  complementation  of  NgLpxC  ...  106  

3.3.7  Construction  of  strains  expressing  RlLpxC  and  EcLpxC  ...  106  

(10)

3.4.1  LpxC  inhibitors  are  active  against  N.  gonorrhoeae  ...  109  

3.4.2  LpxC  is  essential  in  N.  gonorrhoeae  ...  112  

3.4.3  LpxC  is  the  primary  target  of  LpxC  inhibitors  in  N.  gonorrhoeae  ...  114  

3.4.4  Effect  of  existing  resistance  factors  on  susceptibility  to  LpxC  inhibitors  ...  117  

3.4.5  LpxC  inhibitors  are  active  against  ESC-­‐resistant  strains  of  N.  gonorrhoeae  ...  119  

3.4.6  LpxC  inhibitors  display  in  vivo  activity  against  N.  gonorrhoeae  ...  121  

3.5  Discussion  ...  124  

Chapter  4.  Deletion  of  pqiAB  decreases  the  susceptibility  of  N.  gonorrhoeae              to  LpxC  inhibitors  ...  126  

  4.1  Overview  ...  126  

4.2  Introduction  ...  128  

4.3  Materials  and  Methods  ...  130  

4.3.1  Bacterial  strains  and  growth  conditions  ...  130  

4.3.2  Isolation  of  spontaneous  mutants  ...  130  

4.3.3  Susceptibility  testing  ...  131  

4.3.4  Transformation  of  N.  gonorrhoeae  ...  131  

4.3.5  Identification  of  the  R7  mutation  ...  131  

4.3.6  Complementation  of  the  R7  mutant  ...  132  

4.3.7  Gene  disruption  and  knock-­‐out  ...  133  

4.4  Results  ...  134  

4.4.1  Isolation  and  characterization  of  spontaneously  arising  mutants  ...  134  

4.4.2  Identification  of  the  R7  mutation  ...  138  

4.4.3  Function  of  PqiA  and  PqiB  ...  142  

4.4.4  Requirement  of  both  pqiA  and  pqiB  for  sensitivity  to  LpxC  inhibitors  ...  144  

(11)

4.5  Discussion  ...  148  

Chapter  5.  Discussion  and  future  directions  ...  151  

  5.1  Summary  and  significance  ...  151  

5.2  Pathogenic  potential  of  pilQ  mutants  ...  153  

5.3  LpxC  overexpression  ...  155  

5.4  LpxC  stability  and  regulation  ...  158  

5.5  Broad  vs.  narrow  spectrum  antibiotics  ...  160  

5.6  Future  directions  ...  161  

REFERENCES  ...  163  

 

(12)

LIST  OF  FIGURES    

Figure  1.1  Geographical  distribution  of  gonorrhea  infections  across  the  United  States  ...  3  

Figure  1.2.  Structure  of  Kdo2-­‐lipid  A.  ...  10  

Figure  1.3  Type  four  pili  of  N.  gonorrhoeae  ...  14  

Figure  1.4  Timeline  of  antibiotic  resistance  in  N.  gonorrhoeae  ...  33  

Figure  1.5  The  lipid  A  biosynthesis  pathway  in  E.  coli.  ...  42  

Figure  1.6.  LpxC  inhibitors.  ...  47  

Figure  2.1  Western  blots  for  PilQ  from  spontaneous  arising  penicillin-­‐   resistant  mutants  of  PR100.  ...  69  

  Figure  2.2  Phenotypes  of  spontaneously  arising  pilQ  mutants.  ...  73  

Figure  2.3  Effects  of  frame-­‐shift  mutations.  ...  76  

Figure  2.4  In-­‐frame  deletions  of  pilM,  pilN,  pilO  and  pilP  affect     transformation  efficiency  but  not  penicillin  resistance.  ...  79  

  Figure  2.5  Effect  of  pilM,  pilN,  pilO  and  pilP  deletions  on  the  stability  of     the  proteins  encoded  by  other  genes  in  the  operon.  ...  80  

  Figure  2.6  Overexpression  of  PilQ  increases  susceptibility  to  penicillin.  ...  82  

Figure  2.7  The  pilM  frame-­‐shift  mutant  decreases  the  levels  of  PilQ.  ...  85  

Figure  2.8  Gel  filtration  of  FA19  membranes  ...  86  

Figure  2.9  Insertional  inactivation  of  pilW.  ...  89  

Figure  2.10  Overexpression  of  PilW  ...  90  

Figure  3.1  LpxC  inhibitors  target  the  first  committed  step  in  the     biosynthesis  of  lipid  A.  ...  102  

  Figure  3.2  Screening  and  optimization  of  LpxC  inhibitors.  ...  110  

Figure  3.3  LpxC  inhibitors  are  bactericidal  for  N.  gonorrhoeae.  ...  111  

(13)

Figure  3.5  IPTG-­‐inducible  expression  of  LpxC.  ...  115  

Figure  3.6  LpxC  is  the  primary  target  of  LpxC  inhibitors  in  N.  gonorrhoeae.  ...  116  

Figure  3.7  Effect  of  known  resistance  factors  on  susceptibility  to  LpxC  inhibitors.  ...  118  

Figure  3.8.  Activity  of  LpxC  inhibitors  against  MDR  strains  of  N.  gonorrhoeae.  ...  120  

Figure  3.9  Protocol  for  the  in  vivo  efficacy  testing  of  LpxC  inhibitors.  ...  122  

Figure  3.10  In  vivo  efficacy  of  LpxC  inhibitors.  ...  123  

Figure  4.1  Spontaneous  mutants  with  reduced  susceptibility  to  LpxC  inhibitors.  ...  136  

Figure  4.2  Phenotype  of  the  R7  mutant.  ...  137  

Figure  4.3  Isolation  of  the  DraI  DNA  fragment  containing  the  mutation  ...  139  

Figure  4.4  Map  of  the  region  deleted  in  R7.  ...  141  

Figure  4.5  Both  pqiA  and  pqiB  are  required  for  susceptibility  to  LpxC  inhibitors.  ...  145  

Figure  4.6  Expression  of  pqiA  and  pqiB  in  other  mutants.  ...  147    

(14)

LIST  OF  TABLES    

Table  1.1  Proteins  involved  in  type  four  pilus  biogenesis  ...  15  

Table  2.1  Neisseria  gonorrhoeae  strains  used  in  this  study  ...  66  

Table  4.1  Genes  that  were  truncated  or  deleted  in  R7.  ...  140  

Table  4.2  Amino  acid  sequence  identity  of  PqiA  and  PqiB  ...  143  

 

(15)

 

LIST  OF  ABBREVIATIONS  

 

CDC   Centers  for  Disease  Control  and  Prevention  

CEACAM   carcinoembryonic  antigen  cell  adhesion  molecule  

CF   Cystic  fibrosis  

CLSI   Clinical  and  Laboratory  Standards  Institute  

CMP-­‐NANA   5’-­‐cytidinemonophospho-­‐N-­‐acetyl  neuramic  acid  

CR3   complement  receptor  3  

DGI   disseminated  gonococcal  infection  

DUS   DNA  uptake  sequence  

EDTA   ethylenediaminetetraacetic  acid  

ESC   expanded-­‐spectrum  cephalosporins  

GC   gonococcus  

GGI   gonococcal  genetic  island  

GISP   Gonococcal  Isolate  Surveillance  Project  

GlcNAc   N-­‐acetylglucosamine  

HIV   human  immunodeficiency  virus  

HPSG   heparin  sulfate  proteoglycan  

IPTG   isopropyl  β-­‐D-­‐1-­‐thiogalactopyranoside  

Kdo   2-­‐keto-­‐3-­‐deoxyoctulosonic  acid  

LPS   lipopolysaccharide  

LOS   lipooligosaccharide  

MIC   minimum  inhibitory  concentration  

(16)

MurNAc   N-­‐acetylmuramic  acid  

PBP   penicillin-­‐binding  protein  

PEA   phosphoethanolamine  

PID   pelvic  inflammatory  disease  

PG   peptidoglycan  

ROS   reactive  oxygen  species  

Opa   opacity-­‐associated  proteins  

SDS   sodium  dodecyl  sulfate  

SEM   scanning  electron  microscopy  

STI   sexually  transmitted  infection  

ssDNA   single-­‐stranded  DNA  

TFP   type  four  pili  

T4SS   type  IV  secretion  system  

UDP-­‐GlcNAc   uridine  diphosphate  N-­‐acetylglucosamine  

WHO   World  Health  Organization  

(17)

 

 

Chapter  1.  Introduction    

1.1  Introduction  

 

Neisseria  gonorrhoeae  is  a  Gram-­‐negative  diplococcus  that  causes  the  sexually   transmitted  infection  (STI)  gonorrhea.  It  is  one  of  the  two  pathogenic  members  of  the   Neisseriaceae  family;  the  other  is  N.  meningitidis,  the  etiological  agent  of  bacterial   meningitis.  Gonorrhea  is  the  second-­‐most  prevalent  reportable  infectious  disease  in  the   United  States  (Division  of  STD  Prevention  2012).  Patients  do  not  develop  a  protective   immune  response  against  gonorrhea,  making  antibiotic  treatment  necessary  for  curing  the   infection.  However,  antibiotic  resistance  in  the  gonococcus  (GC)  is  a  serious  public  health   problem.  In  the  US,  gonorrhea  is  currently  treated  with  the  expanded-­‐spectrum  

cephalosporin  ceftriaxone  in  combination  with  either  azithromycin  or  doxycycline  (Centers   for  Disease  Control  and  Prevention.  2012).  Unfortunately,  strains  resistant  to  ceftriaxone   have  been  isolated  in  the  last  several  years  (Unemo,  Golparian  et  al.  2010,  Ohnishi,  Saika  et   al.  2011,  Unemo,  Golparian  et  al.  2012).  This  dissertation  describes  the  interconnected   mechanisms  of  antibiotic  action  and  antibiotic  resistance  in  N.  gonorrhoeae,  as  well  as  the   validation  of  a  new  potential  drug  target  for  the  treatment  of  antibiotic-­‐resistant  

gonorrhea.    

(18)

1.2  Public  heath  relevance  

   

1.2.1  Epidemiology  

The  Centers  for  Disease  Control  and  Prevention  (CDC)  received  reports  of  321,849   cases  of  gonorrhea  in  the  United  States  in  2011,  the  most  recent  year  for  which  data  are   available.  This  number  represents  a  rate  of  104.2  cases  per  100,000  people.  Alarmingly,  the   gonorrhea  rate  in  the  US  increased  in  both  2010  and  2011  (Division  of  STD  Prevention   2012).  The  increase  occurred  in  all  regions  of  the  US  and  was  most  dramatic  for  the   Northeast,  but  the  overall  rate  remained  the  highest  in  the  South  (Figure  1.1).  Because   infections  are  often  asymptomatic,  especially  in  females,  it  is  estimated  that  fewer  than  half   of  the  gonorrhea  cases  that  occur  in  the  US  are  reported;  thus,  the  actual  burden  is  likely   closer  to  800,000  cases  per  year  (Satterwhite,  Torrone  et  al.  2013).  

It  is  more  difficult  to  estimate  the  world-­‐wide  burden  of  gonorrhea.  Based  on  data   collected  in  2008,  the  World  Health  Organization  (WHO)  estimated  that  106  million  new   gonococcal  infections  occur  each  year  and  that  at  any  given  time,  36.4  million  people  are   infected  with  N.  gonorrhoeae  (2012).  These  estimates  are  considerably  higher  (11%   increase)  than  the  same  estimates  made  for  2005.  Although  the  increase  is  partially  driven   by  population  growth,  it  represents  a  21%  increase  in  the  global  incidence  of  gonorrhea.    

(19)

 

 

 

 

 

 

Figure  1.1  Geographical  distribution  of  gonorrhea  infections  across  the  United  States  

(adapted  from  the  CDC  Sexually  Transmitted  Diseases  Surveillance  Report  (Division  of  STD   Prevention  2012)).  

   

(20)

1.2.2  Clinical  manifestations  

  N.  gonorrhoeae  is  an  obligate  human  pathogen.  It  typically  colonizes  the  genital   tracts  of  men  and  women  but  can  also  infect  other  mucus  membranes,  including  the   anorectal  canal,  pharynx,  and  eye.  Men  typically  develop  symptoms  including  urethral   discharge  and  a  burning  sensation  while  urinating  within  3  to  7  days  following  exposure   (Spence  1983).  However,  some  men  have  less  severe  symptoms,  and  a  small  proportion  of   infected  men  may  remain  asymptomatic  (Handsfield,  Lipman  et  al.  1974,  Spence  1983).   Interestingly,  heterosexual  men  that  are  co-­‐infected  with  N.  gonorrhoeae  and  Chlamydia   trachomatis  and  men  who  have  sex  with  men  (MSM)  and  are  infected  with  both  gonorrhea   and  syphilis  are  more  likely  to  be  asymptomatic  than  men  infected  with  N.  gonorrhoeae   alone  (Bozicevic,  Fenton  et  al.  2006).  Rectal  infections  are  common  in  MSM,  and  these   infections  are  often  asymptomatic  (Miller  2006).  Rectal  infections  can  also  be  more  difficult   to  detect  by  culturing,  and  infections  are  often  missed  if  only  the  urogenital  tract  is  sampled   for  nucleic  acid  amplification  testing  (van  Liere,  Hoebe  et  al.  2013).    

  Asymptomatic  urogenital  infections  are  more  common  in  women,  especially  in  cases   where  the  infection  has  not  yet  ascended  the  genital  tract.  When  symptoms  are  present,   they  include  discharge  and  slight  irritation  (McCormack,  Stumacher  et  al.  1977,  Platt,  Rice   et  al.  1983).  Anorectal  infections  are  also  generally  asymptomatic  and  most  often  occur   secondary  to  endocervical  infections  due  to  the  spread  of  the  bacteria  across  the  perineum   (McCormack,  Stumacher  et  al.  1977).    

(21)

asymptomatic,  and  these  women  continue  to  pose  a  public  health  threat  as  carriers  of   gonorrhea.  When  symptoms  are  present,  they  include  abdominal  pain,  pelvic  pain,  and   fever.  If  this  condition  remains  untreated,  it  can  result  in  ectopic  pregnancy  and  even   infertility  due  to  damage  to  the  fallopian  tubes  (Weström,  Joesoef  et  al.  1992,  Walker  and   Sweet  2011).    

  In  both  sexes,  a  small  number  (0.5  to  3%)  of  untreated  gonorrhea  cases  progress  to   disseminated  gonococcal  infections  (DGI),  a  bacteremia  that  can  result  in  chronic  joint   infections,  arthritis,  or  a  skin  rash  (Britigan,  Cohen  et  al.  1985,  Bardin  2003).  DGI  is  more   common  in  women  than  men,  likely  because  asymptomatic  mucosal  infections  are  more   common  in  women  and  because  menstruation  is  a  risk  factor  for  DGI  (Holmes,  Counts  et  al.   1971,  Bleich,  Sheffield  et  al.  2012).    Similarly,  DGI  is  more  common  among  MSM  than   among  heterosexual  men  because  anorectal  gonorrhea  is  more  likely  to  be  asymptomatic   than  urethral  gonorrhea  (Holmes,  Counts  et  al.  1971).  Once  DGI  is  diagnosed,  it  can  be   treated  with  antibiotics  (Miller  2006).  

 

1.2.3  Gonorrhea  and  HIV  co-­‐infections  

(22)

increased  transmission  and  acquisition  have  been  described.  One  of  the  first  studies  on  the   relationship  between  gonorrhea  and  HIV  found  that  treating  the  gonococcal  infection  in  co-­‐ infected  patients  reduced  viral  RNA  levels  in  the  semen  (Cohen,  Hoffman  et  al.  1997).   Women  infected  with  gonorrhea  have  greater  numbers  of  endocervical  CD4+  T-­‐cells  that  

can  then  be  infected  upon  exposure  to  HIV  (Levine,  Pope  et  al.  1998),  and  infection  with   gonorrhea  can  enhance  the  transcription  of  HIV  in  T-­‐cells  infected  with  the  virus,  leading  to   increased  viral  expression  and  shedding  (Chen  2003).  Infection  with  gonorrhea  also  

increases  the  susceptibility  of  immune  cells  to  HIV.  Ding  et  al.  found  the  exposure  of  CD4+  

T-­‐cells  to  N.  gonorrhoeae  increased  HIV  infection  of  these  cells  in  an  TLR2-­‐dependent   manner  (Ding,  Rapista  et  al.  2010),  and  co-­‐infection  with  gonorrhea  enhances  the  infection   of  dendritic  cells  by  HIV  (Zhang,  Li  et  al.  2005).  These  studies  show  that  an  individual  with   gonorrhea  is  at  an  increased  risk  of  contracting  gonorrhea,  and  an  individual  with  both   gonorrhea  and  HIV  has  an  increased  capacity  to  transmit  HIV.  Thus,  treating  gonococcal   infections  is  one  strategy  to  decrease  the  spread  of  HIV.  

 

1.3  Structural  components  of  the  gonococcal  cell  wall  

 

  Like  all  Gram-­‐negative  bacteria,  N.  gonorrhoeae  possesses  a  cell  wall  consisting  of  an   inner  (cytoplasmic)  membrane,  a  thin  layer  of  peptidoglycan,  and  an  outer  membrane.  The   outer  membrane  forms  a  permeability  barrier  and  is  composed  of  lipooligosaccharide,   phospholipids,  integral  membrane  proteins,  and  structures  that  are  necessary  for  genetic   transformation,  adhesion  to  host  cells,  and  the  import  and  export  of  nutrients.  These  outer   membrane  components  include  the  type  four  pili,  Opa  proteins,  and  porins.    

(23)

1.3.1  Lipooligosaccharide  

Gram-­‐negative  bacteria  are  characterized  by  the  presence  of  lipopolysaccharide   (LPS;  also  known  as  endotoxin)  in  the  outer  leaflet  of  the  outer  membrane.  LPS  is   composed  of  lipid  A,  which  anchors  LPS  to  the  membrane,  a  polysaccharide  core,  and  O-­‐ antigen  repeats  that  extend  from  the  bacterial  surface  (Raetz  and  Whitfield  2002).  Because   N.  gonorrhoeae  has  a  shorter  polysaccharide  core  and  lacks  the  O-­‐antigen  repeats,  the   endotoxin  of  GC  is  called  lipooligosaccharide  (LOS)  (Preston,  Mandrell  et  al.  1996).  Bacteria   that  produce  LOS  rather  than  LPS  have  cell  surfaces  that  are  more  hydrophobic  and  are   more  likely  to  colonize  the  respiratory  tract,  genital  tract,  and  other  mucosal  surfaces.  In   contrast,  bacteria  that  produce  LPS  are  more  hydrophilic,  and  this  property  allows  enteric   bacteria  to  be  more  resistant  to  intestinal  enzymes  and  bile  (Preston,  Mandrell  et  al.  1996).    

N.  gonorrhoeae  lipid  A  consists  of  two  glucosamine  molecules,  each  with  3  acyl   chains,  bound  to  two  Kdo  (2-­‐keto-­‐3-­‐deoxyoctulosonic  acid)  residues  (Figure  1.2).  This  lipid   A  moiety  is  the  basic  structure  of  LOS  required  for  cell  viability  and  is  the  active  component   of  endotoxin.  Two  heptose  molecules  are  attached  to  one  of  the  Kdo  residues,  and  3  

variable  oligosaccharide  side  chains  can  then  be  attached  to  the  heptose  molecules  by  a   series  of  glycosyltransferases.  The  oligosaccharides  added  to  the  chain  include  glucose,   galactose,  GlcNAc,  and  GalNAc,  but  their  exact  composition  and  order  depend  on  the   presence  of  specific  glycosyltransferase  enzymes  (Preston,  Mandrell  et  al.  1996).    

(24)

frame-­‐shift  mutations  that  turn  the  genes  on  or  off,  leading  to  subsequent  antigenic   variations  in  the  sugars  added  to  the  LOS  core  (Danaher,  Levin  et  al.  1995,  Yang  and  

Gotschlich  1996,  Banerjee,  Wang  et  al.  1998).  Further  variability  in  this  region  is  conferred   by  the  presence  of  multiple  promoter  regions  in  in  the  lgtABCDE  gene  cluster.  The  presence   of  multiple  promoters  allows  for  slight  variations  in  transcription  that  make  it  possible  for   a  single  cell  to  express  multiple  LOS  variations  simultaneously  (Burch,  Danaher  et  al.  1997,   Braun  and  Stein  2004).  

In  addition  to  the  varying  expression  of  the  glycosyltransferases,  the  structure  of   LOS  can  also  be  modified.  The  heptose  II  residue  of  LOS  and  the  lipid  A  moiety  itself  can  be   decorated  with  phosphoethanolamine  (PEA)  (Cox,  Wright  et  al.  2003,  O'Connor,  

Piekarowicz  et  al.  2006).  The  presence  of  PEA  affects  the  ability  of  the  bacterium  to  resist   host  defenses  such  as  serum  killing,  complement  binding,  and  cationic  antimicrobial   peptides  (Lewis,  Choudhury  et  al.  2009,  Balthazar,  Gusa  et  al.  2011,  Lewis,  Shafer  et  al.   2012).  A  N.  gonorrhoeae  mutant  that  lacks  the  PEA  transferase  (LptA)  (Cox,  Wright  et  al.   2003)  and  is  unable  to  add  PEA  modifications  to  lipid  A  was  less  fit  compared  to  wild-­‐type   in  both  the  murine  and  human  male  urethra  models  of  gonococcal  infection  (Hobbs,   Anderson  et  al.  2013).    

(25)

urethral  infection  or  incubation  with  urethral  epithelial  cells  in  vitro  reduces  the  infectivity   of  the  gonococcus  (Schneider,  Schmidt  et  al.  1996,  Harvey,  Jennings  et  al.  2001).  

(26)

 

Figure  1.2  Structure  of  Kdo2-­‐lipid  A.  Compared  to  the  structure  of  E.  coli  Kdo2-­‐lipid  A,  the  

structure  of  gonococcal  Kdo2-­‐lipid  A  differs  in  the  location  of  one  acyl  chain.    

(27)

1.3.2  Type  IV  pili  

  Type  four  pili  (TFP)  are  phase-­‐variable  surface  appendages  in  many  Gram-­‐negative   bacteria  that  mediate  multiple  biological  processes,  including  adhesion  (Swanson  1973,   Virji  and  Heckels  1984,  Jonsson,  Ilver  et  al.  1994),  twitching  motility  (Swanson  1978,   Henrichsen  1983),  and  DNA  transformation  (Sparling  1966)  (Figure  1.3A).  The  presence  or   absence  of  pili  can  be  observed  by  examining  colony  morphology  under  a  dissecting  

microscope.  Colonies  that  express  pili  are  small,  shiny,  and  rounded,  whereas  colonies   containing  non-­‐piliated  cells  are  large  and  appear  dull  and  flat  (Kellogg,  Peacock  et  al.   1963).  The  pili  can  be  rapidly  extended  and  retracted  in  an  ATP-­‐dependent  manner.  A   transposon  mutagenesis  screen  in  N.  meningitidis  identified  fifteen  proteins  that  are   essential  for  the  biogenesis  of  TFP  (Carbonnelle,  Hélaine  et  al.  2004).  Figure  1.3B  shows  a   model  of  type  four  pilus  biogenesis  and  the  locations  of  many  of  these  proteins,  and  Table   1.1  lists  pilus  biogenesis  proteins  and  their  functions.    

(28)

may  stabilize  the  PilE  polymers  (Jonsson,  Nyberg  et  al.  1991,  Wolfgang,  van  Putten  et  al.   2000,  Morand,  Bille  et  al.  2004).  There  is  also  evidence  that  PilC  serves  as  an  adhesion   factor  for  interactions  between  the  gonococcus  and  human  epithelial  cells;  however,  this  is   also  controversial  and  may  apply  only  to  specific  tissue  types  (Nassif,  Beretti  et  al.  1994,   Rudel,  Facius  et  al.  1995,  Rudel,  Scheurerpflug  et  al.  1995,  Kirchner  and  Meyer  2005).  PilC   is  also  required  for  the  natural  competence  of  the  organism  (Rudel,  Facius  et  al.  1995).    

The  polymerization  (extension)  and  depolymerization  (retraction)  of  the  filaments   requires  the  activity  of  the  ATPases  PilF  and  PilT,  respectively  (Freitag,  Seifert  et  al.  1995,   Wolfgang,  Lauer  et  al.  1998,  Forest,  Satyshur  et  al.  2004).  The  assembled  filaments  extrude   from  the  cell  through  the  outer  membrane  secretin  PilQ  (Wolfgang,  van  Putten  et  al.  2000,   Chen  and  Dubnau  2004).  PilQ  forms  SDS-­‐resistant  multimers;  the  formation  of  these   multimers  requires  the  presence  of  the  lipoprotein  PilW  (Collins,  Davidsen  et  al.  2001,   Carbonnelle,  Hélaine  et  al.  2004,  Szeto,  Dessen  et  al.  2011).  In  Pseudomonas  aeruginosa,  a   recently  defined  association  of  PilM,  PilN,  PilO,  and  PilP  referred  to  as  the  “alignment   complex”  (Tammam,  Sampaleanu  et  al.  2013)  was  shown  to  bridge  the  periplasm  to  link   the  inner  membrane  components  of  TFP  assembly  with  the  PilQ  secretin.  These  proteins   (PilMNOP)  are  all  required  for  piliation  in  N.  gonorrhoeae,  and  similar  associations  are   suggested  by  the  work  presented  in  Chapter  2.    

(29)

Hamrick,  Dempsey  et  al.  2001).  These  copies,  or  minicassettes,  lack  the  N-­‐terminal   conserved  region  and  contain  increasing  numbers  of  amino  acid  substitutions  within  the   hypervariable  C-­‐terminal  domain.  Each  minicassette  is  flanked  by  regions  of  repeats  that   match  sequences  found  upstream  and  within  pilE  (Haas  and  Meyer  1986,  Howell-­‐Adams   and  Seifert  2000),  and  these  sequences  are  important  for  recombination.  Gene  conversion   occurs  at  a  frequency  of  approximately  10-­‐3  in  vitro  (Serkin  and  Seifert  1998),  and  variants  

appear  rapidly  following  infection  (Hamrick,  Dempsey  et  al.  2001).  It  is  possible  that  

selective  pressure  during  infection  may  increase  the  frequency  of  gene  conversion  to  above   that  measured  in  vitro.  Some  recombination  events  can  result  in  a  deletion  in  the  

expression  locus,  and  these  deletions  result  in  the  phase  variation  from  an  “on”  (piliated)  to   an  “off”  (nonpiliated)  colony  morphology  (Segal,  Billyard  et  al.  1985).  

(30)

A.                           B.                                        

Figure  1.3  Type  IV  pili  of  N.  gonorrhoeae.  A.  Scanning  electron  micrograph  of  piliated  FA19   cells  (magnification:  100,000×).  B.  Model  showing  the  location  of  components  involved  in   the  biogenesis  of  TFP.  The  pilus  is  primarily  composed  of  PilE  subunits  and  the  PilC  adhesin   and  extrudes  through  the  PilQ  secretin  in  the  outer  membrane.  The  protein  PilW  is  

required  for  the  stability  of  the  secretin.  The  pilin  subunits  are  processed  by  the  pre-­‐pilin   peptidase  PilD  and  polymerized  through  the  activity  of  PilF.  Pilus  retraction  is  mediated  by   the  PilT  ATPase.  The  proteins  PilM,  PilN,  PilO,  and  PilP  are  required  for  piliation,  as  

discussed  in  Chapter  2  of  this  dissertation  (Wolfgang,  van  Putten  et  al.  2000,  Tammam,   Sampaleanu  et  al.  2011).  

(31)

Table  1.1  Proteins  involved  in  type  four  pilus  biogenesis    

   

 

   

Protein( Func,on(

PilE% Pilin%

PilF% ATPase,%filament%polymeriza6on%(extension)%

PilT% ATPase,%filament%depolymeriza6on%(retrac6on)%

PilD% Pre=pilin%pep6dase%%

PilG% Pilus%assembly%protein%

PilX% Minor%pilin%

PilW% Stabiliza6on%of%PilQ%

PilM% Required%for%TFP%biogenesis%%

PilN% Required%for%TFP%biogenesis%%

PilO% Required%for%TFP%biogenesis%%

PilP% Required%for%TFP%biogenesis%%

PilQ% TFP%secre6n%

(32)

1.3.3  Opacity-­‐associated  proteins  

  The  opacity-­‐associated  proteins  (Opa)  are  antigenic-­‐  and  phase-­‐variable  outer-­‐ membrane  adhesins  that  are  involved  in  the  association  of  pathogenic  Neisseria  with  host   cells  and  contribute  to  the  ability  of  the  bacteria  to  evade  the  immune  system.  These   proteins  were  named  for  the  opaque  appearance  of  Opa+  colonies  on  agar  viewed  under  a  

dissecting  microscope  with  a  substage  light  supply  (Swanson  1978).  Gonococcal  cells   recovered  from  infected  individuals  are  Opa+,  even  when  the  infecting  inoculum  contained  

only  Opa-­‐  cells  (James  and  Swanson  1978,  Jerse,  Cohen  et  al.  1994).  N.  gonorrhoeae  strains  

typically  encode  11  Opa  proteins  (Bhat,  Gibbs  et  al.  1991),  and  a  single  cell  may  express  any   number  of  these  proteins  simultaneously.  The  Opa  genes  are  constitutively  transcribed,   and  phase  variation  occurs  at  the  translational  level.  Phase  variation  is  due  to  the  presence   of  pentameric  repeats  (CTCTT)  in  the  coding  sequence  (Stern,  Brown  et  al.  1986);  the   number  of  these  repeats  varies  due  to  slip-­‐strand  mispairing  that  can  move  the  coding   regions  of  the  Opa  genes  in  or  out  of  frame  (Murphy,  Connell  et  al.  1989).  

  The  structure  of  the  Opa  proteins  has  not  been  solved,  but  a  two-­‐dimensional  model   has  been  predicted  based  on  protein  sequences  and  epitope  binding  of  monoclonal  

(33)

  The  Opa  proteins  can  be  divided  into  two  categories  based  on  the  host  factors  to   which  they  bind.  A  small  number  of  Opa  proteins  bind  to  heparin  sulfate  proteoglycans   (HSPGs)  (Chen,  Belland  et  al.  1995,  van  Putten,  Duensing  et  al.  1998).  However,  the   majority  of  Opa  proteins  bind  to  members  of  the  carcinoembryonic  antigen  cell  adhesion   molecule  (CEACAM)  family  (Wang,  Gray-­‐Owen  et  al.  1998,  Virji,  Evans  et  al.  1999).  These   receptors  are  found  on  a  variety  of  cell  types  and  can  influence  the  immune  response  to   gonococcal  infection  (Liu,  Feinen  et  al.  2011).  

 

1.3.4  Peptidoglycan  

  Peptidoglycan  (PG)  is  a  polymer  of  carbohydrate  and  amino  acids  that  is   sandwiched  between  the  inner  and  outer  membranes  of  Gram-­‐negative  bacteria.  This   essential  macromolecule  confers  structure  and  shape  to  the  cell  and  protects  it  from   osmotic  stress.  PG  is  composed  of  alternating  N-­‐acetylglucosamine  (GlcNAc)  and  N-­‐ acetylmuramic  acid  (MurNAc)  sugars  linked  with  a  β-­‐1,4  glycosidic  bond.  In  N.  

(34)

  PG  is  constantly  remodeled  as  bacterial  cells  grow  and  divide,  and  peptidoglycan   fragments  are  released  from  the  cell.    This  remodeling  process  requires  the  activity  of   endopeptidases  and  amidases  that  hydrolyze  the  peptide  chains  and  lytic  transglycosylases   (LTs)  that  hydrolyze  the  glycan  backbone  (Johnson,  Fisher  et  al.  2013).  During  remodeling,   the  LTs  cleave  the  glycosidic  bond  between  the  GlcNAc  and  MurNAc  residues  of  the  glycan   strand  by  catalyzing  the  formation  of  1,6-­‐anhydro  bonds  within  the  MurNAc  residues   (Rosenthal  1979,  Chan,  Hackett  et  al.  2012).  Peptidoglycan  fragments  released  during   remodeling  may  contribute  to  the  pathogenesis  of  gonorrhea.  For  example,  when   gonococcal  PG  monomers  are  applied  to  human  fallopian  tubes  in  organ  culture,  the   ciliated  cells  are  damaged  and  sloughed  off  of  the  mucosa,  similar  to  what  has  been   observed  in  patients  suffering  from  PID  (Melly,  McGee  et  al.  1984).    

 

1.3.5  Porin  

  Porins  are  abundant  proteins  that  form  water-­‐filled  channels  through  the  outer   membranes  of  Gram-­‐negative  bacteria  to  allow  for  the  diffusion  ions  across  the  membrane   (Young,  Blake  et  al.  1983,  Nikaido  1994).  In  addition  to  their  general  channel  function,   neisserial  porins  also  interact  with  host  cells  and  are  involved  in  evading  the  immune   system.  Porins  can  insert  into  the  host  cell  membrane  during  infection  and  arrest  

(35)

membrane-­‐spanning  channel,  the  fully  assembled  porin  contains  three  channels  (Judd   1989,  Nikaido  1994,  Derrick,  Urwin  et  al.  1999).    

The  gonococcal  porin  is  encoded  by  the  porB  gene,  and  a  given  strain  possesses  only   one  of  two  porB  alleles  that  encode  either  PorB1A  or  PorB1B  (Knapp,  Tam  et  al.  1984,  

Carbonetti,  Simnad  et  al.  1988).    The  exact  sequences  of  the  two  alleles  can  differ  between   strains,  but  depending  on  the  strains  compared,  the  alleles  demonstrate  65  to  80%  

homology  (Judd  1989).  The  PorB1A  proteins  are  slightly  smaller  than  PorBIB  proteins,  with  

apparent  molecular  masses  of  approximately  35  kDa  compared  to  ~37  kDa  for  PorB1B  

proteins  (Gotschlich,  Seiff  et  al.  1987).  Some  of  the  differences  between  the  two  PorB   proteins  and  within  each  subclass  have  been  exploited  in  various  serotyping  methods   (Knapp,  Tam  et  al.  1984,  Sarafian  and  Knapp  1989).  

Strains  carrying  PorB1A  are  most  often  associated  with  disseminated  gonococcal  

infection  (Cannon,  Buchanan  et  al.  1983).  These  strains  are  more  invasive  than  PorB1B  

strains  (van  Putten,  Duensing  et  al.  1998)  and  are  also  more  resistant  to  killing  by  human   serum  (Schoolnik,  Buchanan  et  al.  1976,  Carbonetti,  Simnad  et  al.  1990).  Two  mechanisms   by  which  PorB1A  interferes  with  complement  binding  have  been  described.  It  can  bind  C4b  

binding-­‐protein,  a  component  of  the  classical  complement  pathway,  through  interactions   with  the  N-­‐terminal  surface-­‐exposed  loop  (Ram,  Cullinane  et  al.  2001).  It  can  also  resist   complement  attack  by  binding  factor  H,  a  regulatory  protein  in  the  alternative  complement   pathway,  with  its  fifth  surface-­‐exposed  loop  (Ram,  McQuillen  et  al.  1998).  Together,  these   properties  of  PorB1A  may  explain  its  increased  ability  to  disseminate  from  the  initial  site  of  

(36)

In  contrast  to  the  invasiveness  of  strains  possessing  PorB1A,  strains  carrying  PorB1B  

more  often  cause  localized  infections.  This  allele  is  also  associated  with  increased  antibiotic   resistance.  PorB1B  strains  demonstrate  a  lower  baseline  susceptibility  to  penicillin  and  

erythromycin  compared  to  strains  with  PorB1A  (Woodford,  Bindayna  et  al.  1989,  

Carbonetti,  Simnad  et  al.  1990).  However,  PorB1B  is  able  to  develop  mutations  that  can  lead  

to  resistance  to  penicillin,  tetracycline,  and  other  antimicrobials  (Olesky,  Hobbs  et  al.   2002).    

 

1.4  Infection    

1.4.1  Adhesion  and  invasion  

  Of  the  structural  components  described  in  the  previous  section,  TFP,  LOS,  Opa,  and   porin  are  involved  in  mediating  the  attachment  to  and  invasion  of  epithelial  cells  by  

(37)

tissues,  including  primary  male  urethral  epithelial  cells,  the  pilus  has  been  shown  to   interact  with  the  α1β1  and  α2β1  integrins  (Edwards  and  Apicella  2005).    

Following  the  initial  TFP-­‐mediated  contact  with  host  cells,  Opa  proteins  are  

required  for  tight  binding  to  host  cells.  Gonococci  express  multiple  Opa  proteins,  and  these   different  Opa  proteins  bind  to  one  of  two  types  of  mammalian  receptors:  carcinoembryonic   antigen  cell  adhesion  molecules  (CEACAMs)  or  the  heparin  sulfate  proteoglycans  (HSPGs).   Opa  variants  that  bind  to  HSPGs  are  less  common  than  those  variants  that  bind  CEACAMs.   In  some  cell  lines,  Opa  binding  to  HPSGs  is  sufficient  for  invasion  (Chen,  Belland  et  al.   1995);  however,  the  majority  of  Opa  proteins  bind  to  CEACAMs  (Dehio,  Gray-­‐Owen  et  al.   1998,  Gray-­‐Owen  2003).  The  CEACAM  family  receptors  are  differentially  expressed  by   human  tissues  (Thompson,  Grunert  et  al.  1991).  Of  the  at  least  12  CEACAM  receptors,   CEACAM1,  CEACAM3,  CEACAM5,  and  CEACAM6  are  known  to  serve  as  receptors  for  the   Opa  proteins.  Epithelial  cells  express  CEACAM1,  CEACAM5,  and  CEACAM6.  Neutrophils   express  CEACAM3  and  smaller  amounts  of  CEACAM1  and  CEACAM6.  CEACAM6  is  also   found  on  monocytes,  and  Opa  proteins  also  interact  with  CEACAM1  on  T  and  B  

lymphocytes  (Wang,  Gray-­‐Owen  et  al.  1998,  Sadarangani,  Pollard  et  al.  2011).    

(38)

interactions  between  Opa  proteins  and  the  CEACAM1  receptor  on  these  cells  may  result  in   immune  suppression.  The  binding  of  Opa  proteins  to  CEACAM1  can  suppress  the  activation   and  proliferation  of  CD4+  T  cells  (Boulton  and  Gray-­‐Owen  2002).  In  B  cells,  Opa  binding  can  

inhibit  antibody  production  and  induce  cell  death  (Pantelic,  Kim  et  al.  2005).  

Using  microscopy  to  observe  interactions  between  the  gonococcus  and  host  cells,  a   number  of  labs  have  described  the  gross  morphological  changes  in  host  epithelial  cells   during  infection.  Bacterial  cells  initially  attach  in  clusters  of  10  to  100  diplococci  on  the   surface  of  the  cells  (Griffiss,  Lammel  et  al.  1999),  prompting  the  extension  of  the  host  cell   microvilli  towards  the  bacteria  (Ward  and  Watt  1972,  Shaw  and  Falkow  1988)  and  the   formation  of  cortical  plaques  (Merz,  Enns  et  al.  1999).  Later  in  infection  (6-­‐18  h),  the   bacteria  spread  across  the  epithelial  surface  as  individual  diplococci,  become  tightly   associated  with  the  host  membrane,  and  are  subsequently  engulfed  by  the  host  cells   (McGee,  Johnson  et  al.  1981,  Shaw  and  Falkow  1988,  Griffiss,  Lammel  et  al.  1999).  

Following  internalization,  gonococci  are  observed  in  both  the  cytosol  and  within  vacuoles.   At  approximately  40  hours  post-­‐infection,  the  bacteria  egress  from  the  epithelial  cells  and   colonize  the  subepithelial  tissues  (McGee,  Johnson  et  al.  1981,  Apicella,  Ketterer  et  al.  1996,   Mosleh,  Boxberger  et  al.  1997).    

 

1.4.2  Bacterial  defenses  against  the  host  immune  response  

(39)

gonorrhoeae  possesses  multiple  mechanisms  to  resist  killing  by  the  innate  immune  system   and  to  suppress  the  adaptive  immune  response.    

One  way  by  which  the  innate  immune  system  kills  bacteria  is  through  activation  of   the  complement  system.  Activation  of  complement  can  lead  to  bacterial  lysis,  opsonization,   and  phagocytosis.  However,  several  gonococcal  surface  structures  are  able  to  bind  

components  of  the  complement  system,  preventing  its  activation  and  evading  lysis  and   phagocytosis.  Serum  resistance  in  gonococci  can  be  variable  or  stable.  Variable  serum   resistance  is  mediated  by  the  binding  of  factor  H  to  sialylated  LOS,  and  serum  resistance   can  be  restored  to  sensitive  strains  by  adding  5’-­‐cytidinemonophospho-­‐N-­‐acetyl  neuramic   acid  (CMP-­‐NANA),  a  sialyl  residue  donor,  to  the  media  (Parsons,  Andrade  et  al.  1989,  Ram,   Sharma  et  al.  1998).  Factor  H  is  a  cofactor  for  the  cleavage  of  C3b  to  the  inactive  iC3b.   When  GC  are  bound  to  factor  H,  nearly  all  of  the  C3b  that  they  are  associated  with  becomes   converted  to  iC3b,  thus  preventing  complement-­‐mediated  killing.  Stable  serum  resistance   is  mediated  by  the  binding  of  complement  components  to  porin.  Loop  5  of  PorB1A  binds   factor  H,  and  loop  1  binds  to  C4b-­‐binding  protein  (Ram,  McQuillen  et  al.  1998,  Ram,  

Cullinane  et  al.  2001).  These  interactions  inhibit  all  three  complement  activation  pathways.     Following  infection  with  N.  gonorrhoeae,  neutrophils  are  recruited  to  the  site  of  the   infection.  Neutrophils  phagocytose  bacteria  and  typically  kill  them  via  the  production  of   reactive  oxygen  species  (ROS).  However,  some  gonococci  are  able  to  resist  killing  by   neutrophils  and  are  even  able  to  replicate  within  the  phagocytes  (Simons,  Nauseef  et  al.   2006,  Criss,  Katz  et  al.  2009,  Johnson  and  Criss  2011).  GC  possess  multiple  mechanisms  to   resist  oxidative  stress.  They  produce  superoxide  dismutase  (SOD),  an  enzyme  that  

(40)

al.  2006);  the  hydrogen  peroxide  can  then  be  neutralized  by  conversion  to  water  and   oxygen  by  catalase  (KatA)  and  cytochrome  c  peroxidase  (CCP)  (Archibald  and  Duong  1986,   Turner,  Reid  et  al.  2003,  Stohl,  Criss  et  al.  2005).  Superoxide  and  hydrogen  peroxide  can   also  be  quenched  by  the  manganese  ion  (Mn2+),  and  gonococci  import  Mn2+  into  the  

bacterial  cytoplasm  via  the  MntABC  transporter  (Tseng,  Srikhanta  et  al.  2001).  

    The  ability  of  N.  gonorrhoeae  to  vary  its  surface  structures  allows  the  gonococcus  to   evade  antibody-­‐mediated  immune  responses.  There  is  a  growing  body  of  evidence  that  N.  

gonorrhoeae  actively  suppresses  cell-­‐mediated  immunity  as  well.  A  study  conducted  using  

the  mouse  model  of  gonococcal  infection  showed  that  infection  with  N.  gonorrhoeae   increased  the  production  of  TGF-­‐β,  and  this  cytokine  subsequently  enhanced  the  Th17   response  while  inhibiting  the  differentiation  and  proliferation  of  Th1  and  Th2  cells.  These   T-­‐helper  cells  are  involved  in  activating  both  CD8+  cytotoxic  T-­‐cells  and  antibody-­‐

producing  plasma  cells  (Feinen,  Jerse  et  al.  2010,  Liu,  Feinen  et  al.  2011,  Liu,  Islam  et  al.   2012).  As  described  above,  interactions  between  neisserial  Opa  proteins  and  CEACAMs   expressed  on  activated  CD4+  T  cells  also  suppress  the  T-­‐helper  cell  response  (Boulton  and   Gray-­‐Owen  2002),  and  Opa-­‐CEACAM  interactions  on  B  cells  can  suppress  the  antibody   response  (Pantelic,  Kim  et  al.  2005).    

 

1.4.3  Murine  model  of  gonococcal  infection  

(41)

colonized,  but  they  then  cleared  the  infection  upon  entering  the  post-­‐ovulatory  stages   (Streeter  and  Corbeil  1981,  Johnson,  Tuffrey  et  al.  1989).  To  circumvent  this  issue,  the   current  model  of  murine  gonococcal  infection,  primarily  developed  by  Ann  Jerse’s  group,   uses  estradiol  treatment  to  make  the  genital  tract  of  female  BALB/c  mice  amenable  to   colonization  (Taylor-­‐Robinson,  Furr  et  al.  1990,  Jerse  1999).  In  this  model,  mice  are   injected  with  water-­‐soluble  estradiol  on  days  -­‐2,  0,  and  2  of  the  infection  and  inoculated   with  N.  gonorrhoeae  on  day  0.  GC  can  be  recovered  on  vaginal  swabs  for  approximately  12   days  post-­‐infection  until  the  infection  is  naturally  cleared  (Jerse  2011).    

The  development  of  the  mouse  model  of  gonorrhea  made  it  possible  to  study  the   infection  in  vivo  without  using  the  human  male  urethral  challenge  mode.  However,  it  does   have  some  limitations.  Many  of  the  host  proteins  that  the  bacterium  interacts  with  in  its   human  host,  including  the  pilus  receptor  CD46  and  Opa-­‐interacting  proteins  CEACAM1,  3,   5,  and  6,  are  either  not  expressed  by  mice  or  have  species-­‐specific  amino  acid  changes  that   prevent  recognition  by  the  bacterium.  The  murine  complement  proteins  factor  H  and  C4bp-­‐ binding  protein  also  fail  to  bind  to  GC  (Jerse  2011).  Nevertheless,  the  murine  model  of   gonorrhea  has  been  used  to  study  the  immune  response  to  GC  and  to  evaluate  the  fitness   cost  or  advantage  of  different  strains  of  GC  (Wu  and  Jerse  2006,  Song,  Condron  et  al.  2008,   Warner,  Shafer  et  al.  2008,  Feinen,  Jerse  et  al.  2010,  Hobbs,  Anderson  et  al.  2013).    

In  chapter  3  of  this  dissertation,  we  describe  the  use  of  the  murine  model  of  

gonorrhea  to  evaluate  the  in  vivo  activity  of  a  novel  class  of  therapeutics  against  gonorrhea.      

(42)

1.5  Genetic  transformation    

1.5.1  Natural  competence  

N.  gonorrhoeae  is  one  of  the  few  naturally  competent  bacterial  species  (Johnsborg,   Eldholm  et  al.  2007)  (other  naturally  competent  bacteria  include  Streptococcus  pneumoniae   and  Haemophilus  influenzae).  The  gonococcus  is  capable  of  acquiring  DNA  from  its  

environment  and  recombining  it  into  its  chromosome,  provided  that  the  exogenous  DNA   contains  a  Neisseria-­‐specific  10-­‐bp  uptake  sequence  and  has  regions  of  homology  

(generally  >80%)  with  existing  chromosomal  DNA  (Goodman  and  Scocca  1988,  Elkins,   Thomas  et  al.  1991).  The  ability  of  the  gonococcus  to  take  up  and  integrate  exogenous  DNA   into  its  chromosome  provides  a  means  for  the  bacteria  to  undergo  genetic  variation  and  to   become  resistant  to  antibiotics  and  has  aided  the  development  of  tools  for  the  genetic   manipulation  of  the  organism.  In  contrast  to  the  majority  of  the  other  naturally  competent   bacteria,  N.  gonorrhoeae  remains  competent  for  transformation  throughout  all  phases  of   growth  (Sparling  1966,  Biswas,  Sox  et  al.  1977).  

(43)

Although  it  occurs  at  reduced  efficiency,  some  strains  can  also  be  transformed  with  DNA   that  lacks  the  DUS;  however,  the  mechanism  behind  this  non-­‐specific  uptake  remains   unclear  (Duffin  and  Seifert  2010).  

 

1.5.2  Sources  of  DNA  

   Because  the  gonococcus  is  an  obligate  human  pathogen,  the  sources  of  DNA  for   transformation  are  other  co-­‐infecting  strains  of  gonorrhea,  the  closely  related  pathogenic   species,  N.  meningitidis,  and  the  commensal  species  N.  lactamica,  N.  cinerea,  and  N.  

flavescens  (Hamilton  and  Dillard  2006).  Notably,  transformation  with  DNA  from  

commensal  Neisseria  species  contributes  to  the  formation  of  an  altered  PBP  allele  that   confers  increased  resistance  to  penicillin  in  N.  gonorrhoeae  (Spratt,  Bowler  et  al.  1992)  and   mosaic  PBP  alleles  that  confer  resistance  to  the  expanded-­‐spectrum  cephalosporins,  

ceftriaxone  and  cefixime.  DNA  is  released  from  these  donor  bacteria  via  autolysis  or  type  IV   secretion  (Hamilton  and  Dillard  2006).    

(44)

Seifert  2001).  This  is  in  contrast  with  DNA  donation  that  occurs  due  to  the  lysis  and  death   of  donor  cells,  which  primarily  occurs  during  the  stationary  phase  of  in  vitro  growth.  

Autolysis  occurs  when  cells  are  exposed  to  suboptimal  growth  conditions,  including   nutrient  limitation  (Hebeler  and  Young  1975).  This  process  likely  relies  on  the  activity  of   amidases  and  LTs  to  breakdown  the  cell  wall  (Hebeler  and  Young  1975,  Chan,  Hackett  et  al.   2012).  The  DNA  released  due  to  the  autolysis  of  the  donor  cells  has  been  shown  to  be  a   viable  source  of  DNA  for  transformation  and  can  be  taken  up  by  recipient  cells  (Norlander,   Davies  et  al.  1979).  

 

1.5.3  DNA  binding  and  uptake  

  The  mechanism  that  mediates  the  initial  binding  of  double-­‐stranded  DNA  to  the  cell   surface  is  unknown,  but  it  occurs  independently  of  the  DUS  and  may  involve  Opa  proteins   and  minor  pilus  proteins  (Hill  2000,  Aas,  Løvold  et  al.  2002,  Aas,  Wolfgang  et  al.  2002).   Once  the  DNA  has  made  non-­‐specific  contact  with  the  cell,  the  DUS  binds  to  an  unknown   protein  on  the  cell  surface.  The  factors  required  for  uptake  of  the  DNA  into  the  cell  have   been  better  characterized.  Studies  in  the  1970s  observed  that  piliated  cells  transformed   much  more  readily  than  non-­‐piliated  gonococci  (Biswas,  Sox  et  al.  1977),  and  many  of  the   components  of  the  TFP  have  been  shown  to  be  essential  for  competence  (Rudel,  Facius  et   al.  1995,  Wolfgang,  Lauer  et  al.  1998,  Zhao,  Tobiason  et  al.  2005).    

Figure

Figure	
  1.1	
  Geographical	
  distribution	
  of	
  gonorrhea	
  infections	
  across	
  the	
  United	
  States	
   (adapted	
  from	
  the	
  CDC	
  Sexually	
  Transmitted	
  Diseases	
  Surveillance	
  Report	
  (Division	
  of	
  STD	
   Prevention
Figure	
  1.2	
  Structure	
  of	
  Kdo 2 -­‐lipid	
  A.	
  Compared	
  to	
  the	
  structure	
  of	
  E.	
  coli	
  Kdo 2 -­‐lipid	
  A,	
  the	
   structure	
  of	
  gonococcal	
  Kdo 2 -­‐lipid	
  A	
  differs	
  in	
  the	
  location	
  of	
  one	
  a
Figure	
  1.3	
  Type	
  IV	
  pili	
  of	
  N.	
  gonorrhoeae.	
  A.	
  Scanning	
  electron	
  micrograph	
  of	
  piliated	
  FA19	
   cells	
  (magnification:	
  100,000×).	
  B.	
  Model	
  showing	
  the	
  location	
  of	
  components	
  involved
Table	
  1.1	
  Proteins	
  involved	
  in	
  type	
  four	
  pilus	
  biogenesis	
   	
   	
   	
   	
   	
   	
  Protein( Func,on(PilE%Pilin%PilF% ATPase,%filament%polymeriza6on%(extension)%PilT% ATPase,%filament%depolymeriza6on%(retrac6on)%PilD%Pre=pilin%
+7

References

Related documents

An alternate extracellular signal- regulated kinase (ERK) activation pathway observed in epithelial endometrial cells and the possibility of differential expression of the

The proposed work uses HSI color information especially Hue value, Fuzzy C-Mean algorithm for shape representation and co-occurrence matrix is used for texture

The objective of this study protocol is to evaluate whether the additional use of a chitosan nerve tube in the primary microsurgical repair of traumatic sensory nerve lesions of

In this paper, analytical investigations are done on the helical coil heat exchanger, to determine pressure drop and temperature distribution of water fluid and

Figure.4 (a) shows the comparison of quasi and rotated quasi OSTBC with BPSK modulation using Dent model in which it is clearly observed that rotated quasi OSTBC

In this work, we use the relationships between some matrix elements of the electromagnetic current of the plus component, “+” for the rho meson [ 20 ], in order to get

The most important chemical functional groups present in the extracted lignin included methoxyl, hydroxyl, carboxyl and carbonyl. The results obtained from the

To determine whether Korean red ginseng (KRG) has beneficial effects on human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1)-infected patients administered highly active antiretroviral